Nano-thermométrie à partir de capteurs hybrides en diamant – THESEUS

Ces objectifs ambitieux seront atteints grâce à l'expertise cumulée et au travail collaboratif entre 3 partenaires académiques (L2C - UMR5221, Montpellier; Institut Fresnel - IF - UMR7249, Marseille et CUHK, Hong Kong). Les partenaires ont une expertise sur le spin électronique des centres NV (L2C et CUHK), la magnétométrie à base decapteurs en diamant à l'échelle nanométrique (L2C et CUHK), en thermoplasmonique (Institut Fresnel), en détection quantique en milieu biologique (CUHK) et en biophotonique (IF et L2C) , tant sur le plan théorique (CUHK, Institut Fresnel) que sur le côté expérimental (tous partenaires).
Les capteurs hybrides seront fabriqués en revêtant des couches ferrimagnétiques (partenaire L2C) ou en fixant des particules ferromagnétiques (partenaire CUHK) sur les sondes en diamant. Dans un premier temps, leur réponse sera évaluée en chauffant de manière contrôlée les capteurs. L'optimisation des géométries des capteurs et des protocoles de mesure (partenaires CUHK - L2C) sera soutenue par une modélisation théorique avancée (partenaire CUHK). Leur résolution spatiale et leur sensibilité à l'échelle nanométrique seront quantifiées par imagerie de gradients de température produits par des micro et nanostructures thermoplasmoniques (partenaire IF). Une corrélation entre le gradient de température induit et la géométrie des nanostructures uniques en or sera explorée (partenaire CUHK). La pertinence de tels capteurs hybrides pour l'imagerie biologique sera également étudiée, en identifiant d'abord tous les artefacts possibles lorsqu'ils sont exploités dans des cellules uniques (partenaires CUHK - IF), puis en appliquant le capteur à la mesure de température dans des protéines de choc thermique en réponse à un stress thermique (partenaires L2C - IF).

Différentes géométries de capteurs hybrides ont été envisagées: des capteurs intégrés dans un substrat en diamant, des capteurs intégrés dans une fine membrane de diamant reportée sur un substrat de haute conductivité thermique, des capteurs à base de nanodiamants et des capteurs à base de pointes de diamant. Des simulations numériques et des expériences, menées par le L2C et l'Institut Fresnel, ont conduit à exclure les géométries massives ou membranaires (en raison de la conductivité thermique élevée du diamant). La géométrie optimisée s'est révélée être des nanodiamants ou, dans une certaine mesure, des pointes de diamant.
CUHK a développé une première génération de capteurs hybrides à base de nanodiamants greffés sur des particules ferromagnétiques fonctionnant à proximité de leur température de Curie. En utilisant un seul centre NV dans un nanopillier de diamant couplé à une seule nanoparticule magnétique d'alliage cuivre-nickel, le partenaire CUHK a démontré une sensibilité à la température de 76 µK.Hz-1 / 2?. Cette carchitecture hybride permet la détection de variations de température de 2 millikelvin avec une résolution temporelle de 5 millisecondes.
L2C a également étudié l'internalisation des nanodiamants luminescents dans les cellules vivantes et a démontré une nouvelle méthodologie pour la visualisation simultanée des sondes en nanodiamant et du noyau cellulaire en utilisant une photoluminescence confocale / imagerie Raman. En utilisant cette technique, le partenaire L2C a pu observer la colocalisation des nanodiamants avec le noyau cellulaire dans le volume limité par diffraction du microscope confocal. Dans le même temps, CUHK a développé des méthodes pour simultanément suivre le mouvement de la sonde et mesurer le champ magnétique dans des cellules vivantes, ouvrant la voie à l'évaluation de la sensibilité à la température de la sonde dans un milieu complexe tel qu'une cellule vivante.

Les perspectives comprennent:
o l'optimisation des capteurs hybrides impliquant des matériaux ferrimagnétiques.
o l'optimisation des protocoles de mesure, y compris les protocoles de découplage dynamique et une optimisation de l'architecture du capteur hybride.
o l'imagerie de la distribution de température au-dessus d'une constriction au sein d’une ligne de courant
o l'imagerie du gradient de température autour de particules plasmoniques uniques, y compris la corrélation entre la composition / géométrie des particules mesurées par TEM et la distribution thermique observée mesurée par spectroscopie par résonance magnétique.
o l'évaluation de la limite inférieure de sensibilité de la sonde dans des cellules vivantes uniques sous chauffage exogène, y compris une analyse approfondie de tous les artefacts possibles induits par la contrainte, la viscosité, le pH, les radicaux libres, etc.
o la mesure de l'évolution de la température lors de l'expression des protéines de choc thermique, en surveillant la variation de température induite par des sources externes.

Publications :
R. Tanos et al., Optimal architecture for wide-field thermal imaging based on NV defects in diamond, AIP Advances 10, 025027 (2020)
A. Finco et al., Imaging non-collinear antiferromagnetic textures via single spin relaxometry, Nat. Commun. 12, 767 (2021)
C.-F. Liu et al., Ultra-sensitive hybrid diamond nanothermometer, National Science Review, nwaa194 (2020)
M. Gulka et al., Simultaneous label-free live imaging of cell nucleus and luminescent nanodiamonds, Scientific report 10, 9791 (2020)

Brevet
Brevet en instance «Sondes en diamant pour la détection thermique à l'échelle nanométrique», CNRS - Université de Montpellier - QNAMI

THESEUS vise le développement d'un senseur thermique de dimension atomique, dépassant les performances actuelles des sondes en température opérant aux échelles nanométriques. Le senseur ici développé combinera de façon inédite grande sensibilité et résolution aux échelles nanométriques, tout en opérant sur une large plage de température et dans divers environnements (incluant les milieux liquides ou biologiques). Outre pousser les performances du senseur au-delà de l’état de l’art, THESEUS apportera des démonstrations d’utilisation pratique du senseur dans deux champs d’application : la thermoplasmonique et la biothermie sous échauffement exogène.
Le senseur s’appuiera sur une architecture en rupture, tirant profit de la conversion de variations en température sur un champ magnétique qui sera sondé par des spins électroniques individuels nichés dans un senseur hybride. Les performances ultimes du senseur capitaliseront de façon innovante sur (i) la sensibilité unique en champ magnétique des spins électroniques associés aux centres NV du diamant et (ii) la transduction efficace de gradients thermiques en gradients magnétiques dans des matériaux de susceptibilité magnétique dépendante en température. Deux nouvelles voies parallèles seront poursuivies : (i) le dépôt de couches ferrimagnétiques sur le senseur en nanodiamant incluant des spins individuels et, (ii) la fonctionnalisation de la nano-sonde renfermant des centres NV à des nanoparticules ferromagnétiques. Associé à des protocoles de découplage dynamique exaltant la cohérence de spin, cette détection indirecte de la température via le champ magnétique permettra d’atteindre des performances au-delà de l’état de l’art avec des sensibilités en deçà du mK/Hz1/2. Le recours à des spins uniques offrira des résolutions spatiales nanométriques. De plus, ces senseurs hybrides pourront opérer sur une large gamme de température et dans des environnements variés, incluant des milieux biologiques.
Ses performances seront démontrées en imageant les gradients de température générés à proximité de nanostructures métalliques produisant des profils de température contrôlés, en lien étroit avec les problématiques et applications de thermo-plasmonique. La possibilité d’étendre cette technique vers des objets biologiques sera explorée, (i) en quantifiant la sensibilité du senseur lorsqu’il opère dans un milieu complexe tel qu’une cellule sous échauffement exogène et (ii) en suivant l’évolution en température dans des protéines de choc thermique subissant un échauffement.
Le programme THESEUS représente une opportunité unique d’associer étroitement des experts français en nano-magnétométrie, bio-imagerie, thermo-plasmonique (le laboratoire Charles Coulomb – L2C- et l’institut Fresnel –IF-) avec des experts de premier plan en métrologie quantique et sur les interactions cellules-nanoparticules, au sein du Département de Physique de l’Université Chinoise de Hong-Kong (CUHK). Ce projet s’appuie sur une synergie et une fertilisation croisée entre divers champs disciplinaires, pour répondre aux défis majeurs de la thermodynamique aux échelles nanométriques – depuis la physique quantique, la science et ingénierie des matériaux, biologie cellulaire jusqu’aux nanosciences et nanotechnologies. En soutenant le développement de senseurs à forte valeur ajoutée pour la nano-thermométrie, cette synergie promet des avancées significatives dans le domaine en rapide expansion de la nanothermométrie, tout en ouvrant des perspectives nouvelles encore hors de portée sur les problématiques de thermodynamique aux échelles nanométriques.